[发明专利]一种催化交换塔中氚浓度分布的计算方法

说明书

本发明公开了一种催化交换塔中氚浓度分布的计算方法，是一种计算氚工厂水除氚系统WDS子部件催化交换塔中氚浓度分布的方法，首先根据催化交换过程建立了气‑液‑汽三相传质计算模型，然后参考ITER的WDS输入参数确定了催化交换塔计算模型的输入参数，再根据化学平衡常数建立求解方程，并在数学上对求解方程进行合理的简化处理，最终得到一种简单实用的求解催化交换塔内氚浓度分布计算方法。本发明提出的计算方法能求解催化交换塔内氚浓度分布情况，从而得除催化交换塔对氚水的富集浓缩效果与除氚效果，同时可以分析催化交换塔塔板数量、氚水进料位置、蒸汽回流比、顶端淋洗液流量对除氚效率的影响。

技术领域

本发明涉及氚浓度分布计算领域，尤其涉及一种催化交换塔中氚浓度分布的计算方法。

背景技术

氘氚聚变反应是当前的热门研究问题，也是解决人类能源的终极方法。然而氘氚聚变所需的燃料氚在自然界中的丰度极低，且半衰期只有12.3年，导致无法进行大量的生产与储存。因此，实现氚自持是实现聚变堆发电的必要条件。

聚变堆在运行期间会产生大量的含氚废气与含氚废水。氚工厂废物处理系统可以将这些含氚废物中氚浓度高的部分进行纯化回收以循环利用，利于聚变堆实现氚自持，同时将氚浓度低的部分加以稀释从而达到放射性废物排放标准，减少放射性对人与环境造成的污染和伤害。

水除氚系统(WDS)是氚工厂废物处理系统的关键子系统。目前针对WDS中氚的输运模拟计算，都是将其简化为一个模块，其计算结果难以反应氚在WDS各子部件中的详细输运情况。

催化交换塔是WDS的关键部件，WDS前端处理系统送来的液态氚水通过进料口进入催化交换塔，向下流入电解槽，电解槽电解产生的部分H2/HT气体在催化柱内部上升时与涓滴而下的氚水接触发生催化交换反应。此过程中，气相中的氚会不断转移到液相中，从而使氚在液相中富集浓缩，气相中贫化。催化交换塔对氚水的富集度与含氚氢气的贫化效果直接影响WDS氚回收效率与除氚效率。催化交换塔内部结构复杂，且涉及到氚水，氚水蒸汽、含氚氢气的三相转化，目前针对氚在子部件中输运情况模拟计算所普遍采用的平均滞留时间方法太过粗糙，其计算过程不能体现氚在催化交换塔内是如何富集浓缩回收的，其计算结果也不能反映催化交换塔中氚的浓度分布情况，同时，平均滞留时间方法无法分析进料口位置、淋洗液流量，蒸汽回流比等对氚回收效率与除氚效果的影响。

因此，如何提供一种新的求解催化交换塔氚浓度分布的计算模型与计算方法，研究氚在催化交换塔内的输运特性，为以后氚工厂WDS的工程设计和WDS实验提供参考。

发明内容

基于现有技术所存在的问题，本发明的目的是提供一种催化交换塔中氚浓度分布的计算方法，能解决现有平均滞留时间方法，对氚在子部件中输运情况模拟计算所存在的太过粗糙，计算结果不能准确反映催化交换塔中氚的浓度分布情况的问题。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明实施方式提供一种催化交换塔中氚浓度分布的计算方法，包括：

步骤1，确定催化交换塔的计算模型：以由若干个水-氢同位素的交换柱级联而成的催化交换塔为计算模型，该催化交换塔的每个交换柱内部分为催化层和填料层，将每个交换柱作为一个塔板建立气-汽-液三相传质数学模型；

步骤2，获取所述催化交换塔的输入参数和运行参数：所述输入参数包括：前端氚水流量、氚水中氚的浓度和塔顶淋洗液纯水流量；所述运行参数为给定工作条件下所述催化交换塔中氚-氢同位素交换反应的平衡常数；

步骤3，根据所述催化交换塔的输入参数和运行参数，以及氚水在每层塔板中和富氚氢气发生同位素交换反应，根据气-汽-液三相传质数学模型建立所述催化交换塔每一层塔板中氚的化学平衡方程；